田娜娜，趙玉杰，周其文，劉瀟威，袁 旭，師榮光，戴禮洪，徐亞平

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；3.貴州省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，貴陽(yáng) 550004）

DGT法原位測(cè)量水體中金屬有效態(tài)組分及動(dòng)力學(xué)研究

田娜娜1，2，趙玉杰2*，周其文2，劉瀟威2，袁 旭3，師榮光2，戴禮洪2，徐亞平2

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；3.貴州省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，貴陽(yáng) 550004）

根據(jù)不同厚度擴(kuò)散膜DGT（梯度擴(kuò)散薄膜）對(duì)金屬絡(luò)合易解離態(tài)解離能力差異性這一原理，提出了一套計(jì)算金屬解離動(dòng)力學(xué)及有效態(tài)組分方法，并將其應(yīng)用于水體Zn、Ni、Cu、Fe、Mn、Cd、Pb等金屬形態(tài)及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)特征差異性計(jì)算中。結(jié)果表明，研究提出的計(jì)算方法，克服了原有方法過(guò)擬合的缺點(diǎn)，可以不借助第三方金屬形態(tài)分析軟件一次性計(jì)算出金屬有效態(tài)含量、組分構(gòu)成及K-1值，且計(jì)算結(jié)果更好地體現(xiàn)出有效態(tài)中絡(luò)合易解離部分的貢獻(xiàn)，計(jì)算公式假設(shè)參數(shù)少，避免了金屬價(jià)態(tài)、有機(jī)質(zhì)組分構(gòu)成差異性等因素對(duì)有效態(tài)含量計(jì)算的影響。

梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（DGT）；金屬；金屬絡(luò)合物；解離動(dòng)力學(xué)常數(shù)

水體金屬尤其是重金屬污染嚴(yán)重威脅水體生態(tài)系統(tǒng)健康、影響水生生物安全，并可通過(guò)食物鏈富集最終危害人體。進(jìn)入水體中的金屬會(huì)隨著水環(huán)境如pH、有機(jī)質(zhì)、溫度、協(xié)同離子濃度等的變化產(chǎn)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變，造成其環(huán)境毒理效應(yīng)的改變。因此，僅檢測(cè)金屬全量并不能真正指征其環(huán)境危害性。近年來(lái)，水環(huán)境質(zhì)量安全評(píng)價(jià)、金屬毒性評(píng)估、水體污染風(fēng)險(xiǎn)危害預(yù)警等研究都涉及到水中金屬形態(tài)檢測(cè)、金屬配體解離動(dòng)力學(xué)特征分析等問(wèn)題，如何分析金屬不同形態(tài)的濃度，計(jì)算金屬配體解離動(dòng)力學(xué)常數(shù)是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題[1-2]。

水體金屬形態(tài)分析主要有下述方法：一種是模型模擬計(jì)算法，常用模型為自由離子活態(tài)模型、生物配體模型及氧化物表面配體模型等，如WHAM軟件采用的ModelⅦ、SCAMP模型[3]，ECOSAT軟件采用的道南（NICA-Donnan）模型[4-5]，MINTEQ采用的SHM模型[6]等；一種是直接測(cè)量的方法，如競(jìng)爭(zhēng)配體交換耦合差示脈沖陰極溶出伏安法（DPCSV）[7]。模型計(jì)算對(duì)輸入?yún)?shù)要求較高，需了解有機(jī)質(zhì)的組分構(gòu)成、考慮鐵錳氧化物及粘土礦物作用、明確離子之間的交互影響等，因而使用受到限制。直接測(cè)量法會(huì)受到有機(jī)質(zhì)組分的干擾且存在含量低于檢測(cè)限而無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題[8]。

近年來(lái)，一種新的技術(shù)——梯度擴(kuò)散薄膜（DGT）技術(shù)被應(yīng)用于水體金屬形態(tài)分析及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)檢測(cè)分析。DGT是依據(jù)Fick第一定律，通過(guò)對(duì)特定時(shí)間內(nèi)穿過(guò)一定厚度的具有特定功能擴(kuò)散膜的某一離子進(jìn)行定量化測(cè)量計(jì)算而獲得某一離子濃度值的原位形態(tài)分析技術(shù)[9]。DGT技術(shù)創(chuàng)新性引入了動(dòng)態(tài)過(guò)程概念，且可原位提取活性態(tài)金屬，避免了易位提取造成的金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化，如Fe、Mn有效態(tài)含量的下降[10]，因此其獲得的金屬濃度能更好表征生物有效性，從而被廣泛應(yīng)用于水體、土壤及沉積物金屬有效態(tài)的測(cè)量[11]。

將DGT技術(shù)應(yīng)用于水體金屬形態(tài)的分析及金屬配體解離動(dòng)力學(xué)的研究是DGT研究的新方向，如Zhang等[12]提出可采用不同孔徑擴(kuò)散膜DGT分析金屬有效態(tài)組分，而Scally等[13]運(yùn)用不同厚度擴(kuò)散膜對(duì)金屬配體解離能力差異性這一特征，提出金屬形態(tài)分離及配體解離動(dòng)力學(xué)計(jì)算的新方法，隨后，Warnken等[1]、Cusnir等[14]基于此理論進(jìn)一步發(fā)展了DGT用于水體金屬解離動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法。然而，以往的技術(shù)也存在一定的不足，如Scally方法易存在過(guò)擬合現(xiàn)象造成計(jì)算結(jié)果失真，而Warnken的方法需要借助第三方形態(tài)分析軟件首先獲取水體中金屬形態(tài)構(gòu)成，然后計(jì)算配體解離動(dòng)力學(xué)特征，這一過(guò)程往往引入結(jié)果的不確定性。為了更好地將DGT技術(shù)應(yīng)用于水體金屬形態(tài)分析及配體解離動(dòng)力學(xué)研究，研發(fā)一種新的采用DGT技術(shù)計(jì)算水體金屬不同形態(tài)含量及金屬配體解離動(dòng)力學(xué)方法十分必要。

本研究基于不同厚度擴(kuò)散膜DGT對(duì)金屬配體解離能力差異性這一特征，提出了一套計(jì)算水體金屬配體解離率常數(shù)K-1及金屬有效態(tài)組分的方法，克服了以往計(jì)算方法的缺點(diǎn)，具有使用簡(jiǎn)單、環(huán)境條件假設(shè)少、獲取參數(shù)多、結(jié)果不確定性小等特點(diǎn)，從而更有利于DGT技術(shù)在水體金屬污染毒性評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 理論方法

式中：Ma為時(shí)間t內(nèi)DGT結(jié)合膜上吸附累積的金屬量；A為窗口面積，cm2；CM為溶液中金屬離子態(tài)的濃度′為時(shí)間t內(nèi)由絡(luò)合易解離金屬M(fèi)L解離的可被DGT測(cè)量的金屬離子濃度；DM、DML分別為離子及絡(luò)合態(tài)金屬在擴(kuò)散膜中的擴(kuò)散系數(shù)，cm·s-1，通常DML是DM的20%[16]；Δg為擴(kuò)散膜厚度，cm，即為ML解離運(yùn)移距離，ML在此距離內(nèi)解離可以被DGT監(jiān)測(cè)到。

聯(lián)合文獻(xiàn)[13]中的公式（6）及公式（7），本文公式（1）中′的計(jì)算式見(jiàn)式（2）：

放置于水體中的DGT會(huì)通過(guò)梯度擴(kuò)散過(guò)程吸附水溶液中的離子態(tài)及絡(luò)合易解離態(tài)金屬[15]，在時(shí)間t內(nèi)DGT累積的金屬量計(jì)算公式[9]：

式中：K-1為金屬M(fèi)L解離動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

DGT擴(kuò)散膜厚度Δg不同，其提供給絡(luò)合態(tài)金屬M(fèi)L的解離時(shí)間就有差異性，解離時(shí)間的差異造成了不同擴(kuò)散膜厚度DGT解離濃度′的不同。同理，如果把Δg理解為DGT擴(kuò)散膜厚度差，則就是這一厚度差導(dǎo)致的ML解離量的差值。而如何通過(guò)儀器檢測(cè)計(jì)算獲得′的不同實(shí)現(xiàn)是方程（2）獲解的關(guān)鍵。

由公式（1）可知，當(dāng)水體中金屬全部為離子態(tài)，采用DGT方法獲取金屬離子的濃度，即有效態(tài)金屬濃度CM的公式為：

當(dāng)水體中金屬全部為離子態(tài)，式（3）中CM為一定值，DM、A、t一致時(shí)，Ma與Δg呈反比關(guān)系。因此，只要通過(guò)檢測(cè)計(jì)算出擴(kuò)散膜厚度為a的DGT的值，則厚度為b（b＞a）的DGT其累積的Mab量可通過(guò)式（3）計(jì)算獲得。

當(dāng)水體中存在金屬配體，使金屬有效態(tài)組分為離子態(tài)及絡(luò)合易解離態(tài)時(shí)，由于擴(kuò)散膜厚度增加導(dǎo)致絡(luò)合易解離態(tài)解離量上升，此時(shí)擴(kuò)散膜厚度為b（b＞a）的DGT其累積的金屬量Mab+會(huì)比通過(guò)公式（3）理論計(jì)算的Mab量高，而增加部分即為DGT增加的厚度Δg（b-a）解離的量，其濃度增量計(jì)算公式如下：

聯(lián)合公式（2）與公式（4），當(dāng)水體中存在金屬配體時(shí)，水體絡(luò)合易解離態(tài)金屬M(fèi)L濃度CML及解離動(dòng)力學(xué)常數(shù)K-1的計(jì)算公式如下：

采用不同厚度擴(kuò)散膜DGT測(cè)量水體中金屬有效態(tài)濃度，則式（5）就會(huì)有多次實(shí)現(xiàn)，從而可以通過(guò)非線性擬合方法計(jì)算獲得CML、K-1等關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)而通過(guò)式（1）計(jì)算得到CM，則水體中金屬有效態(tài)濃度為：

確定式（1）中合適的Δg是水體金屬有效態(tài)濃度計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，Scally等[13]提出當(dāng) Δg處于時(shí)，擴(kuò)散膜對(duì)ML處于有效解離范圍內(nèi)。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，據(jù)此選擇與最大有效厚度最接近的膜厚度作為CDGT的計(jì)算厚度。

綜合分析式（5）可知，當(dāng)水體中不存在金屬配體時(shí)，CML及K-1為0，（Mab+-Mab）亦為0，水體金屬有效態(tài)濃度計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為式（3）。當(dāng)水體中存在金屬配體，Δg（b-a）增加且（Mab+-Mab）隨之增加，說(shuō)明DGT實(shí)驗(yàn)所選擴(kuò)散膜厚度使ML始終處于解離增加狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)值未達(dá)到最大解離，此時(shí)采用實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散膜最大厚度計(jì)算有效態(tài)濃度會(huì)使計(jì)算值小于實(shí)際值；當(dāng)Δg（b-a）增加而（Mab+-Mab）先增加后平穩(wěn)時(shí)，說(shuō)明DGT實(shí)驗(yàn)所選擴(kuò)散膜厚度使 ML達(dá)到完全解離，采用確定的厚度計(jì)算CDGT值與實(shí)驗(yàn)相符。這也是判斷DGT擴(kuò)散膜厚度適宜性的一種途徑。

2 材料與方法

2.1 水樣采集及分析

本試驗(yàn)供試水體為天津市津河南開(kāi)大學(xué)段。采樣及試驗(yàn)時(shí)間為2016年4月12日。DGT原位放置于實(shí)驗(yàn)河流水體中，同時(shí)用有機(jī)玻璃采樣器采集試驗(yàn)水樣500 mL，用0.45 μm醋酸纖維素濾膜過(guò)濾，用于測(cè)定水體溶解態(tài)金屬含量，金屬含量檢測(cè)采用ICP-MS法[17]；采集相同水樣量用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，保存在棕色磨口玻璃瓶中用于測(cè)定分析DOC（溶解性有機(jī)碳），DOC測(cè)定采用TOC分析儀。采樣水體DOC及金屬含量見(jiàn)表1。

表1 供試水樣性質(zhì)Table 1 Selected water properties

2.2 凝膠的制作及DGT組裝

分別制作0.16、0.40、0.8、1.2、2.0 mm厚度的擴(kuò)散相凝膠。凝膠的準(zhǔn)備方法：向10 mL丙烯酰胺凝膠（15%丙烯酰胺，0.3%凝膠交聯(lián)劑）溶液中加入70 μL 10%的過(guò)硫酸銨溶液充分?jǐn)嚢韬蠹尤?0 μL四甲基乙二胺（TEMED），攪拌均勻。將溶液快速注入一定厚度的玻璃容器內(nèi)，并將其平移至恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，于42℃條件下培養(yǎng)1 h，而后取出放在超純水中，30 min后取出凝膠，24 h內(nèi)換水至少3次。將制好的擴(kuò)散相凝膠儲(chǔ)存在0.01 mol·L-1的NaCl溶液中備用。

結(jié)合相凝膠的準(zhǔn)備方法：將用去離子水處理過(guò)的200～400目的Chelex-100樹(shù)脂4 g加入到10 mL丙烯酰胺凝膠溶液中充分?jǐn)嚢?，低溫超?～3 min后加入50 μL 10%的過(guò)硫酸銨溶液，并加入15 μL四甲基乙二胺，低溫超聲1～3 min后將懸濁液快速注入一定厚度的玻璃槽內(nèi)，將其平移至恒溫恒濕培養(yǎng)箱，于42℃條件下培養(yǎng)1 h，而后取出放在超純水中，30 min后取出凝膠，24 h內(nèi)換水至少三次，將制好的結(jié)合相凝膠儲(chǔ)存在超純水中[15]。取制得的擴(kuò)散相凝膠膜與結(jié)合相凝膠膜切割并組裝[8]，將制好的DGT放于4℃冰箱中備用。

2.3 DGT實(shí)驗(yàn)

將DGT原位放置在河流水體中24 h后取出。將取出的DGT裝置用去離子水洗凈窗口表面，打開(kāi)裝置將結(jié)合相用碳纖維鑷子取出放于10 mL塑料刻度試管中，加入2 mL 1 mol·L-1HNO3溶液，充分脫洗24 h后用去離子水定容混勻，然后吸取1.0 mL的溶液稀釋10倍后用ICP-MS（安捷倫7700）測(cè)定DGT吸附的金屬量。

為了保障實(shí)驗(yàn)的精確性及準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)平行，所有實(shí)驗(yàn)用藥品全部為優(yōu)級(jí)純，所用器皿實(shí)驗(yàn)前經(jīng)稀酸處理。實(shí)驗(yàn)平行誤差控制在10%以?xún)?nèi)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)基本計(jì)算及擬合計(jì)算采用軟件DPS 16.05，制圖采用微軟Excel 2013，水體中金屬形態(tài)模擬計(jì)算采用WHAM 7.04。

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬解離動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

采用式（3）首先計(jì)算厚度為0.16 mm（實(shí)際計(jì)算時(shí)需增加硝酸纖維膜保護(hù)膜厚度0.13 mm，即0.29 mm）擴(kuò)散膜DGT的CDGT（0.29）值，然后根據(jù)CDGT（0.29）值采用式（3）分別計(jì)算擴(kuò)散膜厚度為0.4、0.8、1.2、2.0 mm的DGT理論計(jì)算值Mab，再根據(jù)實(shí)際檢測(cè)值Mab+采用式（4）計(jì)算獲得不同厚度擴(kuò)散膜DGT解離金屬M(fèi)L濃度差，從而獲得式（5）的5次實(shí)現(xiàn)。采用DPS軟件的非線性擬合中的全局優(yōu)化算法計(jì)算得式（5）中的CML及K-1值，并根據(jù)CML及K-1計(jì)算最大有效厚度Δg，進(jìn)而結(jié)合式（1）、式（2）及式（6）計(jì)算重金屬離子態(tài)濃度CM及有效態(tài)濃度CDGT。方程擬合如圖1所示，計(jì)算獲得的模型參數(shù)K-1擬合結(jié)果見(jiàn)表2，不同金屬CM及CML值見(jiàn)表3。

結(jié)合圖1及表2可知，模型擬合結(jié)果良好，由F顯著性檢驗(yàn)可知，Zn、Ni、Cu、Fe、Mn、Cd、Pb擬合模型P值均達(dá)到極顯著水平。

圖1 不同厚度擴(kuò)散膜DGT解離金屬M(fèi)L濃度差及擬合結(jié)合Figure 1 Fitting models of dissociation concentration difference of metal MLs with different thickness DGT

圖1中7種金屬的擬合曲線走勢(shì)表明，隨著DGT擴(kuò)散膜厚度差增加，金屬絡(luò)合物解離濃度也隨之增加，在擴(kuò)散膜厚度差為0.1 cm，實(shí)際厚度為0.133 cm以前，處于快速增加階段，此后增幅下降，Pb、Cd、Mn等增勢(shì)趨于平穩(wěn)，其余4種金屬依然保持增勢(shì)。這說(shuō)明Pb、Cd、Mn的DGT實(shí)驗(yàn)厚度已達(dá)到了ML全解離的程度，根據(jù)解離最大厚度計(jì)算公式，可知三種金屬絡(luò)合物ML最大解離厚度分別為0.133、0.126、0.161 cm，本試驗(yàn)最大厚度為0.213 cm，可見(jiàn)試驗(yàn)與理論計(jì)算相符。Zn、Ni、Cu、Fe最大解離厚度分別為0.249、0.217、0.208、0.210 cm，略大于或約等于試驗(yàn)最大厚度，說(shuō)明本試驗(yàn)所選最大厚度基本滿足計(jì)算金屬有效態(tài)含量的要求。根據(jù)Scally等[13]提出的金屬M(fèi)L有效解離厚度下限計(jì)算公式，Zn、Ni、Cu、Fe、Mn、Cd、Pb 7種金屬有效解離DGT擴(kuò)散膜下限值分別為0.012、0.010、0.010、0.010、0.008、0.006、0.007 cm。最小有效解離DGT擴(kuò)散膜厚度差異進(jìn)一步表明了金屬M(fèi)L解離難易程度。

不同擴(kuò)散膜厚度表現(xiàn)出來(lái)的金屬M(fèi)L解離濃度值差異性表明，DGT擴(kuò)散膜厚度對(duì)金屬有效態(tài)的測(cè)量有較大的影響，商品化的DGT擴(kuò)散膜厚度通常為0.093 cm，與Cd、Pb的全解離厚度接近，但遠(yuǎn)小于其他金屬全解離所需厚度。

表2 模型擬合參數(shù)及計(jì)算值Table 2 Fitting parameters of regression models and the calculated values

表3 不同金屬有效態(tài)組分及自由離子活度Table 3 Available and free ion activity forms of different metals

擴(kuò)散膜厚度差異性引起的ML解離差異性也表明，水體中金屬配體的解離能力是有差別的。通常水體中金屬有4種形態(tài)：一是離子態(tài)，如Cu2+；二是與水中自然存在的配體形成絡(luò)合物或離子對(duì)，如CuCl+、；三是與人為引入的配體形成絡(luò)合物，如與EDTA會(huì)形成CuEDTA2-、CuHEDTA-絡(luò)合體；四是與大分子物質(zhì)如富里酸，顆粒物（如氧化鐵、膠體）等形成絡(luò)合配體，且FA是由多分子有機(jī)酸組成的復(fù)合體，存在一價(jià)、二價(jià)、三價(jià)等不同價(jià)位配體，不同配體與金屬絡(luò)合穩(wěn)定性也不同[18-19]。顯然金屬形態(tài)的不同會(huì)造成其活性的差異，活性的差異一方面導(dǎo)致其通過(guò)DGT擴(kuò)散膜能力的差別，另一方面與DGT結(jié)合相形成絡(luò)合體的能力也不同。通常高活性的金屬形態(tài)會(huì)更快通過(guò)擴(kuò)散膜并與結(jié)合相結(jié)合，而低活性的金屬形態(tài)會(huì)較慢地通過(guò)擴(kuò)散膜，并在擴(kuò)散膜中解離后與結(jié)合相結(jié)合，當(dāng)擴(kuò)散膜厚度達(dá)不到使金屬絡(luò)合物解離的厚度時(shí)，即使絡(luò)合物通過(guò)了擴(kuò)散膜也不會(huì)與結(jié)合相結(jié)合，無(wú)法被檢測(cè)到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在擴(kuò)散膜厚度低于0.1 cm時(shí)，DGT檢測(cè)到的一般是高活性金屬離子及易解離的金屬絡(luò)合物，厚度的增加會(huì)導(dǎo)致絡(luò)合物解離量快速增加；在0.1～0.2 cm厚度時(shí)，DGT會(huì)增加檢測(cè)到中等易解離金屬絡(luò)合物的能力，厚度增加會(huì)導(dǎo)致解離量及檢測(cè)值較慢增加；在大于0.2 cm時(shí)，不會(huì)有更多的絡(luò)合物被解離，擴(kuò)散膜厚度增加不會(huì)引起檢測(cè)量增加。

Zn、Ni、Cu、Fe、Mn、Cd、Pb 7種金屬絡(luò)合態(tài)ML解離率常數(shù)K-1值見(jiàn)表2，其中Pb的K-1值最大，Cd、Mn次之，Zn最小。根據(jù)Scally等[13]提出K-1計(jì)算公式（7）計(jì)算7種金屬的K-1值，其結(jié)果見(jiàn)圖2。雖然與本研究的計(jì)算值略有差異，但兩者趨勢(shì)基本相同，即Pb、Cd、Mn的K-1值大，而Zn、Ni、Cu小。K-1越大，絡(luò)合態(tài)金屬M(fèi)L越易解離，也進(jìn)一步說(shuō)明了Pb、Cd、Mn絡(luò)合態(tài)解離所需DGT擴(kuò)散膜厚度小的原因。

采用DGT計(jì)算水體中絡(luò)合態(tài)金屬M(fèi)L解離動(dòng)力學(xué)常數(shù)K-1，除本研究及Scally等[13]提出的方法外，Warnken等[1]也提出了一套計(jì)算模式，其基本計(jì)算公式為：

圖2 采用不同模型計(jì)算的不同金屬類(lèi)型K-1值Figure 2 Values of K-1of different metals with different models

式中：b、m分別為不同厚度Δg與DGT檢測(cè)值1/Ma線性擬合方程的截距與斜率；ε是金屬在凝膠及水中擴(kuò)散系數(shù)的比值為擴(kuò)散邊界層（DBL），其計(jì)算公式為

Warnken等[1]提出的方法涉及的計(jì)算參數(shù)多且需采用第三方軟件計(jì)算CML及CM，對(duì)于較純凈的水體計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于成分復(fù)雜的水體由于污染物含量多，金屬之間存在協(xié)同或拮抗作用，有機(jī)質(zhì)組分復(fù)雜，需要測(cè)定有機(jī)質(zhì)中富里酸及腐植酸的構(gòu)成及組分比例，因此很難精確獲得CML及CM值，計(jì)算精度難以保證。

3.2 金屬有效態(tài)組分分析

采用本文提出的方法分別計(jì)算金屬有效態(tài)濃度組分CML及CM，并采用WHAM模型計(jì)算水體中自由離子活度值。WHAM計(jì)算水體金屬離子活度時(shí)，假設(shè)DOC中50%為活性有機(jī)碳，活性有機(jī)碳中100%為低分子富里酸[20]，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)除Fe、Cd外，其他5種金屬采用本方法計(jì)算的離子態(tài)濃度CM均大于WHAM模擬計(jì)算的自由離子活度。采用DGT技術(shù)計(jì)算水體金屬自由離子濃度與其他靜態(tài)技術(shù)不同，DGT引入了動(dòng)態(tài)化概念，在測(cè)定過(guò)程中模擬了生物對(duì)金屬的吸收過(guò)程，打破了原系統(tǒng)的平衡，促進(jìn)了金屬配體的解離，從而導(dǎo)致檢測(cè)獲取的CM值增加。可見(jiàn)CM不僅體現(xiàn)了原平衡溶液自由離子活度部分，還應(yīng)包括其他極易解離的金屬配體部分，如水合離子或離子對(duì)以及極不穩(wěn)定的有機(jī)絡(luò)合物等。

采用WHAM模型計(jì)算水體中Fe的自由離子活度，我們假設(shè)水體中的Fe全部為二價(jià)亞鐵形式存在，但事實(shí)上，自然水體中既存在二價(jià)亞鐵，也存在三價(jià)鐵形態(tài)[21]。由于同量三價(jià)鐵的自由離子活度為6.32×10-7nmol·L-1，幾乎可以忽略，WHAM計(jì)算所得高的Fe自由離子活度可能與本研究高的亞鐵濃度假設(shè)有關(guān)。

對(duì)于Zn、Cu、Pb而言，CM遠(yuǎn)大于其自由離子活度，進(jìn)一步計(jì)算3種金屬水合離子配體（ROH+、含量值，分別為0.25、0.39、0.42 nmol·L-1，遠(yuǎn)小于自由離子活度，因此水合配體對(duì)CM貢獻(xiàn)可以忽略。再采用WHAM模型計(jì)算三種金屬與富里酸形成非專(zhuān)性吸附與專(zhuān)性吸附濃度比值，分別為57、1、4，遠(yuǎn)小于Ni、Fe、Cd的該比值（分別為149、209、112），說(shuō)明在WHAM體系中，Zn、Cu、Pb更易于與有機(jī)質(zhì)形成穩(wěn)定絡(luò)合物而使自由離子活度下降，但與本研究的計(jì)算結(jié)果相比，WHAM有存在過(guò)高估計(jì)富里酸專(zhuān)性吸附Zn、Cu、Pb的可能。這可能與不同區(qū)域水體有機(jī)質(zhì)組成差異性有關(guān)，具體原因還需進(jìn)一步分析。

對(duì)于金屬Cd而言，其自由離子活度大于CM值，存在WHAM高估自由離子活度的可能性，具體原因還需進(jìn)一步分析。

3.3 金屬有效態(tài)含量計(jì)算

采用DGT計(jì)算水體中金屬有效態(tài)濃度，主要有4種方法：一是直接采用公式（3）計(jì)算[22]；二是根據(jù)不同厚度擴(kuò)散膜Δg與DGT檢測(cè)值Ma倒數(shù)所擬合方程計(jì)算的斜率m求得，本研究稱(chēng)之為斜率法[23]；三是根據(jù)Scally等[13]提出的方法通過(guò)擬合公式（7）計(jì)算獲得CM及CML，將兩者相加獲得，我們稱(chēng)之為Scally法；四是本研究所采用的方法。各方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。Scally法雖能計(jì)算出CDGT，但由于一個(gè)模型有3個(gè)參數(shù)需估算，且只有5個(gè)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算過(guò)程易產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象。其余三種方法計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)為本研究提出的方法計(jì)算值最大，其次為斜率法，采用公式（3）計(jì)算結(jié)果最小?？梢?jiàn)，采用本方法計(jì)算的CDGT能更好地體現(xiàn)有效態(tài)中絡(luò)合易解離部分對(duì)全部有效態(tài)濃度的貢獻(xiàn)，而斜率法其計(jì)算初衷是不考慮絡(luò)合易解離態(tài)對(duì)CDGT的貢獻(xiàn)，采用式（3）計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)的是一定時(shí)間內(nèi)金屬M(fèi)及ML協(xié)同供給能力的大小，而計(jì)算時(shí)僅采用了金屬離子的擴(kuò)散系數(shù)DM，偏大的擴(kuò)散系數(shù)及不完全考慮絡(luò)合易解離態(tài)的貢獻(xiàn)是其結(jié)果偏小的原因。

3.4 金屬形態(tài)及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)特征比對(duì)

根據(jù)金屬的解離率常數(shù)大小（表2）、有效態(tài)中易解離絡(luò)合態(tài)及金屬離子態(tài)含量比例大?。ū?）、有效態(tài)含量占總量百分比高低（表4），本研究將金屬的性能劃分為5類(lèi)（表5）：一是絡(luò)合易解離態(tài)具有高的解離常數(shù)，但相對(duì)濃度低，且有效態(tài)含量占總量百分比也不高，即有效態(tài)中的離子態(tài)濃度不高，說(shuō)明此類(lèi)金屬在水體中形成大分子絡(luò)合物的能力強(qiáng)，且形成的低分子絡(luò)合物穩(wěn)定性差，如Pb、Mn；二是絡(luò)合易解離態(tài)具有低的解離常數(shù)，但相對(duì)濃度高，且有效態(tài)含量占總量百分比不高，說(shuō)明此類(lèi)金屬在水體中易以有機(jī)絡(luò)合物形式存在，如Fe、Cu；三是金屬的解離常數(shù)、有效態(tài)占總量百分比都高，且有效態(tài)中絡(luò)合易解離態(tài)含量低，說(shuō)明此類(lèi)金屬活性高，形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性差，如Cd；四是絡(luò)合易解離態(tài)具有低的解離常數(shù)，且相對(duì)濃度低，但有效態(tài)含量占總量百分比高，說(shuō)明此類(lèi)金屬相對(duì)Fe、Cu等金屬而言，以離子態(tài)形式在水體中存在量大，如Zn；五是絡(luò)合易解離態(tài)具有低的解離常數(shù)，但相對(duì)濃度高，且有效態(tài)含量占總量百分比高，說(shuō)明此類(lèi)金屬形成的絡(luò)合易解離態(tài)ML雖然解離慢，但濃度高，如Ni。

值得注意的是，本研究所稱(chēng)濃度、含量高低均是相對(duì)比較而言，并非真實(shí)值的高低，另一方面，金屬與有機(jī)質(zhì)形成絡(luò)合物的形態(tài)及解離動(dòng)力學(xué)變化也與水體理化性質(zhì)有很大的關(guān)系，如pH、DOC、富里酸、腐植酸組成等，因此不同水體所獲結(jié)果可能有一定差異。

表4 不同方法計(jì)算金屬有效態(tài)CDGT值Table 4 Metal lability concentrations CDGTwith different calculation methods

表5 金屬形態(tài)及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異性分類(lèi)Table 5 Classification of metal forms and migration dynamics

4 結(jié)論

（1）采用本研究提出的計(jì)算方法可以不借助第三方金屬形態(tài)分析軟件方便快捷地計(jì)算出金屬有效態(tài)含量、組分構(gòu)成及K-1值，且計(jì)算公式假設(shè)參數(shù)少，易于擬合，不用考慮其他水環(huán)境因子如pH、有機(jī)質(zhì)變化影響。

（2）比較而言，本方法更好地體現(xiàn)出金屬有效態(tài)中絡(luò)合易解離部分的貢獻(xiàn)，可避免因金屬價(jià)態(tài)、有機(jī)質(zhì)組分構(gòu)成差異性等因素對(duì)有效態(tài)含量計(jì)算的影響。

（3）根據(jù)其形態(tài)及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)參數(shù)的差異性天津津河7種金屬可分為5類(lèi)：一是Pb、Mn，在水體中形成大分子絡(luò)合物的能力強(qiáng)，且形成的低分子絡(luò)合物穩(wěn)定性差；二是Fe、Cu，在水體中易以有機(jī)絡(luò)合物形式存在；三是Cd，金屬活性高，形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性差；四是Zn，相對(duì)Fe、Cu等金屬而言，以離子態(tài)形式在水體中存在量大；五是Ni，形成的金屬絡(luò)合物解離慢，但相對(duì)濃度高。

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In situ measurements of available composition and dissociation kinetics of metals in water using DGT

TIAN Na-na1,2,ZHAO Yu-jie2*,ZHOU Qi-wen2,LIU Xiao-wei2,YUAN Xu3,SHI Rong-guang2,DAI Li-hong2,XU Ya-ping2
（1.College of Land and Environment,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China;2.Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture,Tianjin 300191,China;3.Guizhou Testing Center of Supervision and Inspection for Quality Safety of Agricultural Products,Guiyang 550004,China）

The principles of different diffusion layer thickness of diffusive gradients in thin films（DGT）with different dissociation abilities of metal complexes were used to determine the dissociation rate constants and the component composition of metal concentrations.A theoretical model based on this principle was developed to analyze the differences in metal forms and dissociation kinetic constants of Zn,Ni, Cu,Fe,Mn,Cd,and Pb in freshwater.The results showed that the new calculation method overcame the overfitting problem of the original method.Labile concentrations,components,and kinetic constants（K-1）of seven metals in water solution can be calculated in one system without auxiliary morphological analysis software.The contribution of metal complexes to labile concentrations was reflected easily.The theoretical model had a smaller number of parameters,hypothesis and the effects of the metal valence,organic components can be neglected in our system.

diffusive gradients in thin films（DGT）;metals;metals complexes;dissociation kinetic constants

X52

A

1672-2043（2017）06-1210-08

10.11654/jaes.2017-0150

2017-02-09

田娜娜（1991—），女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境危害因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。E-mail：tiannana1991@126.com

*通信作者：趙玉杰 E-mail：yujiezhao@126.com

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201403014-1）；國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重大專(zhuān)項(xiàng)（GJGP201601201）；貴州省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（[2013]6024）

Project supported：Special Fund for（Agriculture）Scientific Research on Public Causes（201403014-1）；The Special Fund for Key Program of Environmental Factors Risk Assessment of Agro-product Quality Safety of China（GJGP201601201）；The Special Fund for Key Program of Science and Technology of Guizhou Province,China（[2013]6024）

田娜娜，趙玉杰，周其文，等.DGT法原位測(cè)量水體中金屬有效態(tài)組分及動(dòng)力學(xué)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（6）：1210-1217.

TIAN Na-na,ZHAO Yu-jie,ZHOU Qi-wen,et al.In situ measurements of available composition and dissociation kinetics of metals in water using DGT[J]. Journal of Agro-Environment Science,2017,36（6）:1210-1217.